四细分辩向电路
编码器四倍频细分电路(含波形图)
四倍频细分电路(含波形图)时间：2010-06-12 05:00:19 来源：作者：1.光电编码器原理光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。
这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。
光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。
由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图1所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。
此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90旱牧铰仿龀逍藕拧根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。
根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。
1.1增量式编码器增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90海佣煞奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲，用于基准点定位。
它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。
其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。
1.2绝对式编码器绝对编码器是直接输出数字量的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上由透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件；当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。
这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。
显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。
目前国内已有16位的绝对编码器产品。
绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制（葛莱码）方式进行光电转换的。
绝对式编码器与增量式编码器不同之处在于圆盘上透光、不透光的线条图形，绝对编码器可有若干编码，根据读出码盘上的编码，检测绝对位置。
光栅四倍频细分电路模块的分析与设计
给出一种新的光栅位移传感器的四倍频细分电路设计方法.采用可编程逻辑器件(CPLD)设计了一种全新的细分模块，利用Verilog HDL语言编写四倍频细分、辨向及计数模块程序,并进行了仿真.仿真结果表明，与传统方法相比，新型的设计方法开发周期短，集成度高，模块化，且修改简单容易．关键词：光栅位移传感器；四倍频细分；可编程逻辑器件(CPLD)光栅位移传感器是基于莫尔条纹测量的一种传感器，要提高其测量分辨率，对光栅输出信号进行细分处理是必要环节．在实际应用中，通常采用四倍频的方法提高定位精度．四倍频电路与判向电路设计为一个整体，称为四倍频及判向电路.能够实现四倍频的电路结构很多，但在应用中发现，由于某些四倍频电路的精度或稳定性不高,使传感器整体性能下降．作者在分析几种常见四倍频电路的基础上，针对不同的应用，设计了两种不同的四倍频电路实现方案，并对这两种方案的结构和使用方法进行了比较和仿真．1 四倍频电路设计原理光栅传感器输出两路相位相差为90的方波信号A和B.如图l所示，用A，B两相信号的脉冲数表示光栅走过的位移量，标志光栅分正向与反向移动．四倍频后的信号，经计数器计数后转化为相对位置.计数过程一般有两种实现方法：一是由微处理器内部定时计数器实现计数；二是由可逆计数器实现对正反向脉冲的计数．光栅信号A，B有以下关系．①当光栅正向移动时，光栅输出的A相信号的相位超前B相90，则在一个周期内，两相信号共有4次相对变化：00→10→11→01→00．这样,如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次加计数,一个周期内共可实现4次加计数，从而实现正转状态的四倍频计数．②当光栅反向移动时，光栅输出的A相信号的相位滞后于B相信号90，则一个周期内两相信号也有4次相对变化：00→01→11→10→00．同理，如果每发生一次变化，可逆计数器便实现一次减计数，在一个周期内，共可实现4次减计数，就实现了反转状态的四倍频计数．③当线路受到干扰或出现故障时,可能出现其他状态转换过程，此时计数器不进行计数操作．综合上述分析，可以作出处理模块状态转换图(见图2)，其中“+”、“-”分别表示计数器加／减1,“0”表示计数器不动作．2 传统模拟细分电路传统的倍频计数电路如图3所示，它由光栅信号检测电路，辨向细分电路，位置计数电路3部分组成．光栅信号检测电路由光敏三极管和比较器LM339组成．来自光栅的莫尔条纹照射到光敏三极管T a和Tb上，它们输出的电信号加到LM339的2个比较器的正输入端上，从LM339输出电压信号Ua,Ub整形后送到辨向电路中．芯片7495的数据输入端Dl接收Ua，D0接收Ub，接收脉冲由单片机的ALE端提供．然后信号经过与门Y1,Y2和或门E1，E2，E3组成的电路后，送到由2片74193串联组成的8位计数器．单片机通过P1口接收74193输出的8位数据，从而得到光栅的位置采用上述设计方案，往往需要增加较多的可编程计数器，电路元器件众多、结构复杂、功耗增加、稳定性下降．3 基于CPLD实现的光栅四细分、辨向电路及计数器的设计采用CPLD实现光栅传感器信号的处理示意图如图4所示，即将图3中3个部分的模拟逻辑电路全部集成在一片CPLD芯片中，实现高集成化.由于工作现场的干扰信号使得光栅尺输出波形失真，所以将脉冲信号通过40106施密特触发器及RC滤波整形后再送入CPLD，由CPLD对脉冲信号计数和判向，并将数据送入内部寄存器．3．1 CPLD芯片的选择CPLD芯片选用ALTERA公司的MAX7000系列产品EPM7128S，该芯片具有高阻抗、电可擦、在系统编程等特点，可用门单元为2 500个，管脚间最大延迟为5μs工作电压为+5 V.仿真平台采用ALTERA公司的QUARTUSⅡ进行开发设计．3．2 四细分与辨向电路四细分与辨向模块逻辑电路如图5所示，采用10MB晶振产生全局时钟CLK，假设信号A超前于B时代表指示光栅朝某一方向移动，A 滞后于B时表示光栅的反方向移动．A，B信号分别经第一级D触发器后变为A＇，B＇信号，再经过第二级D触发器后变为A″，B″信号．D 触发器对信号进行整形，消除了输入信号中的尖脉冲影响，在后续倍频电路中不再使用原始信号A，B，因而提高了系统的抗干扰性能．在四倍频辨向电路中，采用组合时序逻辑器件对A＇A″，B＇B″信号进行逻辑组合得到两路输出脉冲：当A超前于B时，ADD为加计数脉冲，MIMUS保持高电平；反之，当A滞后于B时，ADD保持高电平,MINUS为减计数脉冲．对比图5和图2可以看出，新型设计方法使用的器件数较传统方法大大减少，所以模块功耗显著降低.系统布线在芯片内部实现，抗干扰性强.由于采用的是可编程逻辑器件，对于系统的修改和升级只需要修改相关的程序语句即可，不用重新设计硬件电路和制作印刷电路板，使得系统的升级和维护的便捷性大大提高.4 四倍频细分电路模块的仿真根据图2所示的状态转换图，利用硬件描述语言Verilog HDL描述该电路功能，编程思想为将A，B某一时刻的信号值的状态合并为状态的判断标志state，并放入寄存器prestate．当A，B任一状态发生变化时，state值即发生改变，将此时的state值与上一时刻的prestate 进行比较，则能根据A，B两个脉冲的状态相对变化确定计数值db的加减，得出计数器输出值的加减标志．仿真结果如图6所示．当信号A上跳沿超前于B时，计数值db进行正向计数；当A上跳沿滞后于B时，计数值db进行反向计数．即db将细分、辨向、计数集于一身，较好地实现了光栅细分功能．比较图3和图5可以看出，用FPGA设计信号处理模块，设计过程和电路结构更加简洁.另外,在应用中需注意FPGA时钟周期应小于光栅信号脉冲的1／4.5 结论①新型设计方法结构简单，集成度高，比传统设计方法所用器件数大大减少．②集成化设计使系统功耗降低，抗干扰性增强．③用Verilog HDL设计电路，改变电路结构只需修改程序即可，且系统维护和升级的便捷性提高．。
第七章 细分电路解读
• 1、原理
–输入信号
• SIN、COS信号
–将SIN、COS信号施加在电阻链两端
• 在电阻链接点上得到不同相位与幅度的信号
–整形
• 在输入信号的一个周期中得到若干计数脉冲信号
u2
R2
uo u1
R1
u2
R2
u2
uo
uo
u1
R1
ER1 R1 R 2
φ u1
a）原理图
ER 2 R1 R 2
b）矢量图
设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压u1、 u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost
uo R2 E sin t /( R1 R2 ) R1 E cost /( R1 R2 )
2 U om E R12 R2 /( R1 R2 )
arct an( R1 / R2 ) uo U om sin(t )
概述
• 信号细分电路概念： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对 周期性的测量信号进行插值提高仪器分辨力。 • 信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空 间上一个固定位移量。 • 电路细分原因： 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现 对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器 的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了提高 仪器的分辨力，就需要使用细分电路。
第七章
信号细分与辨向电路
功能
• 提高分辨力
• 对周期性测量信 号进行插值
§7.1 直传式细分电路
–四细分辨向电路 –电阻链分相细分 –微型计算机细分 –只读存储器细分
• 识别运动方向
• 识别测量信号的 相位
§7.2 平衡补偿式细分
第七章 细分电路
–通过对输入信号的2个上升沿和2个下降沿的处理实 现细分
–根据两路方波信号的相对导前和滞后关系辨别方向
（一）单稳四细分辨向电路
–利用单稳电路提取两路方波信号的边沿实现四细分
四细分
u3 u1 u4 u2
& A′
R1
C1
第七章 信号细分与辨向电路
§7.1 直传式细分电路
–四细分辨向电路 –电阻链分相细分 –微型计算机细分 –只读存储器细分
§7.2 平衡补偿式细分
功能
• 提高分辨力
• 对周期性测量信 号进行插值
• 识别运动方向
• 识别测量信号的 相位
–相位跟踪细分
–幅值跟踪细分
–脉冲调宽型幅值跟踪细分
–频率跟踪细分——锁相倍频细分
• 1、原理
–输入信号
• SIN、COS信号
–将SIN、COS信号施加在电阻链两端
• 在电阻链接点上得到不同相位与幅度的信号
–整形
• 在输入信号的一个周期中得到若干计数脉冲信号
u2
R2
uo
R1
u1
u2
u2
R2
uo
uo
ER1
R1 R2
φ
R1
u1
u1
a）原理图
ER2 R1 R2
b）矢量图
设电阻链由电阻R1和R2串联而成，电阻链两端加有交流电压u1、 u2，其中，u1=Esint，u2=Ecost
• 抗干扰能力差、精 度较低
• 来自（位移）传感器，多为一对SIN、COS信号或相移为90°的方
波信号
m
–输出
xo K s xi K sj x j
信号细讲义分与辩向电路
u1
R1
u1
ER 2 R1 R2
不同相的输出电压信号经电压比较器整形为方波，然后经
逻辑电路处理即可实现细分。
测控电路
改变输入信号可改变象限：
Ⅰ： u1=Esin t，u2=Ecos t Ⅱ： u1=Ecos t ，u2=－Esin t Ⅲ： u1=－Esin t，u2=－Ecos t Ⅳ： u1=－Ecos t ，u2=Esin t
细分原理：对两路方波的突变沿进行处理（一个周期有两个突变沿），
提取四个突变沿，实现四细分。
辨向原理：根据两路方波相位的相对超前和滞后的关系作为判别依据。
Y B
O
VA’
VB
VB’
VA
W
BW
VA
VA
VB
VB
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测控电路
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
A
& A
R2
C2 DG4
1
A
DG2
DG8
& B
R3
C3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
& B
C4 DG9 R4
1
B
DG7
B & ≥1 A B & A A & B A & B DG5
A & ≥1 B B & A A & B
& A B
DG10
-
UO1 图 7 2 单 稳 四 细 分 辨 向 电
UO2 路
测控电路
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分
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测控的电路-信号细分和辩向第七章第一部分
细分电路的应用范围？
面向光栅, 感应同步器, 磁栅,容栅和激光干涉仪等 设备输出的周期信号
细分电路的分类？
•按工作原理分：直传式和平衡补偿式细分
•按处理信号分：调制信号和非调制信号细分
2
什么是辨向？为什么要辨向？
辨向：辨别机构的移动方向
A
B C D
E
位移传感器一般允许在正、反两个方向移动；
A'
B'
B'
Uo1 Uo2
Uo1 Uo2
正向运动（A超前B）
反向运动（ B超前A ） 8
HCTL-20XX系列四细分辨向电路
• 该系列芯片具有细分与辨向功能； • 具有抗干扰设计； • 将可逆计数器设计在芯片上，芯片的集 成度高； • 简化外围电路的设计。
9
CLK
HCTL-2020具有的功能 CK 细分脉冲 计数方向 U/D 级联脉冲 CNT CAS CNTDECR
54o
= 1
3
33kΩ
24kΩ
18kΩ
56kΩ
72o
13 12
= 1
-Esinω t 144o
11
126o
10
UR
12
3+ 13
11+ 11’
13
电阻链分相细分优缺点
优点: 具有良好的动态特性,应用广泛 缺点: 细分数越高所需的元器件数目也成比例地 增加，使电路变得复杂，因此电阻链细分 主要用于细分数不高的场合。
1 2 3 4 5 6 7 8
19
微机量化细分的优缺点
优点：利用判别卦限和查表实现细分，相对 来说减少了计算机运算时间，若直接算反函 u1 / u2 )或 arc cot(u1 / u2 ) 要化更多的时 数arctan( 间；通过修改程序和正切表，很容易实现高 的细分数。 缺点：需要进行软件查表，细分速度慢，主 要用于输入信号频率不高或静态测量中。
测控电路 第7章 信号细分与辨向电路
信号细分与辨向电路
7.1 直传式细分电路 7.2 平衡补偿式细分
信号细分与辨向电路
为什么要细分？ 提高分辨力
信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值 提高仪器分辨力的一种方法。细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波 形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个 信号周期的更高的分辨力。 高分辨力是高精度的必要条件。
第7章 信号细分与辨向电路
19
7.2.4频率跟踪细分——锁相倍频细分
锁相式数字频率合成技术:用来实现测量信号的n倍频，以实现n细分
鉴相器 fi
fo/n
环路滤波器 Uc 压控振荡器 fo
n分频器
优点:结构较简单，细分数高的，对信号失真度无严格要求。 缺点:为有差系统，对输入信号的角频率的稳定性要求高，不能辨向。 主要用于电气倍频和回转部件的角度与传动比等的测量，这时比较容易保持fi接近恒定。
i
也可为幅值,相位,频率等
x -x
比较器
iF
K
s
x
F
∫
+
-
N
xo
• xo为系统输出量,是数字代码,代码
F
多是脉冲数
• 计数器具有积分作用
• Ks为前馈环节的灵敏度 • F为反馈环节的灵敏度
细分数为
KF
xo xi
1 F
第7章 信号细分与辨向电路
16
7.2.1 相位跟踪细分
原理
umsin(t+j)
放大 整形
A A B
第7章 信号细分与辨向电路
DG2 &
1
A
AHale Waihona Puke RCDG1
测控电路第七章信号细分与辨向电路
第七章 信号细分与辨向电路
计量测试工程学院 朱维斌
信号细分电路概念： 信号细分电路又称插补器，是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值 提高仪器分辨力。 信号的共同特点： 信号具有周期性，信号每变化一个周期就对应着空间上一个固定位移量。 电路细分原因： 测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对 信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。为了 提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。 细分的基本原理： 根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插 值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。
计量测试工程学院 朱维斌
参照图7-6电阻链五倍频细分电路的原理，设计一电阻链二倍频细分电路。
12kΩ Esinω t 12kΩ 45o 12kΩ 12kΩ Ecosω t 12kΩ 135o ∞ + 90o ∞ + 0o ∞ + 1 3
=1
A
+ N
∞ + 2 4
=1
B
+ N
+ N
12kΩ -Esinω t UR
-Esinωt
R1=0 KΩ，R2=12 KΩ
1 30°: arctanR2 30
R
R1 R2 12K
180° ~270° 移相 270° ~360° 移相
-Ecosωt
R1=4.39 KΩ，R2=7.61 KΩ
1 60°: arctan R2 60
R
R1 R2 12K
稳态 暂态
计量测试工程学院 朱维斌
典型的积分式单稳触发器
A′ B′
正 向 运 动
细分与辫向电路
1 2k 1
2 v
fW
/ 7 W=2mm
跟踪速度-动态测量速度
因为一个载波周期比一次相，为使测量速度引起动态误差不 超过一个细分脉冲当量，要求在一个载波周期内相位角的变 化不超过一个细分脉冲当量，即
umsin(t+j) Θј=2πX/W
V W fn
V Wf n
V为测量速度；f为载波信号频率；n为细分数；W为 标尺节距。
5-1 5-2 5-3 5-6
第五章 细分与辫向电路 2013年5月
内容
一、细分电路的作用、类型和指标 二、直传式细分电路 三、平衡补偿式细分电路
一、细分电路的作用、类型和指标
作用：提高仪器的分辨力
根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律， 在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的 更高的分辨力。
由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进 行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。
u0
R2E sin t
R1 R2
R1E R1
cos t
R2
U om
E
R12 R22 R1 R2
,
arctan( R1 ) R2
uo
Uom
sin(t )
E cost
u2
u2
uo
R2
ER1
uo R1 R2
R1 u1
u1
ER2 R1 R2
E cost
E sint
E sint Esint
E sint
若f=2K W=2mm n=200 v<1.2m/min
4、频率跟踪细分电路---锁相倍频细分电路
鉴相器
环路滤波器 Uc 压控振荡器
第7章 信号细分与分辨电路讲解
1 A
DG1
1 B
DG6
DG3 & A
R1
C1
& A
R2
C2 DG4
1
DG2
DG8
& B
R3
C3
& B
R4
C4 DG9
1
DG7
B & ≥1 A B &
A A &
Uo1
B A &
B DG5
A & ≥1 B
-
∞ +
+N
162o
-
∞ +
+N
90o ∞ -+ +N
54o ∞ -+ +N
72o ∞ -+ +N
144o ∞ -++
+N
UR=0
1 2
=1 3
5 6
=1 4
13 = 1 11 12 9 = 1 10 8 6 = 1 4 5
1 = 1 3 2
13 = 1 11 12
A/D 转换器，将模拟信号转换为二进制数字信号X 和Y，数 值在0~255之间变化，其中“128”对应模拟输入信号的“0” 电
平。X和Y与角度对应关系如下，由此可求出 。
Y 255
128
0
128
arctan
Y X
128 128
( X 128, Y 128)
2π π
7.2.1 相位跟踪细分
7.2.1.1 原理
高分辨率四倍频细分电路
高分辨率四倍频细分电路
高分辨率四倍频细分电路是一种电路设计，旨在将输入信号的频率增加四倍，并且细分输入信号的幅度。
这种电路通常用于高分辨率图像显示和视频处理等应用中。
该电路通常由以下几个主要组件构成：
1. 信号输入端：接收输入信号，并将其传送到后续的处理电路中。
2. 高频倍频器：将输入信号的频率增加四倍。
这可以通过使用特定的放大器和滤波器来实现，改变输入信号的频率而不改变其幅度。
3. 幅度细分器：将输入信号的幅度进行细分。
通常使用专用的比较器和电流源来实现。
这样可以将输入信号的幅度分解为多个不同的幅度级别，以提高图像显示的细节。
4. 输出端：将经过频率增加和幅度细分处理的信号输出到后续的电路或显示设备中。
通过使用高分辨率四倍频细分电路，可以提高图像或视频的显示质量和细节，并增强对细微变化的感知能力。
这对于需要高度精确和清晰图像的应用（如医学成像、卫星图像处理等）非常重要。
第7章 信号细分与分辨电路
绝对零位
20Ω
sin、cos、-sin三路信号通过电阻链移相产生十路移相信号， 经十路比较器和逻辑电路在O1、O2获得两路正交信号。 绝对零信号经比较器整形后和两路方波信号( 126 、 ) 144 相与，获得标准零脉冲信号。
7.1.3 微型计算机细分
7.1.3.1 与硬件细分相结合的细分技术
缓冲计数器1
光栅 传感器
放大 整形
细分 辨向
缓冲计数器2
微 机 接 口
细分与辨向：由硬件电路完成； 计数、处理和显示：由微机完成； 缓冲计数器：提高系统的响应速度，最高速度为：
v m ax C / ( pN t )
7.1.3 微型计算机细分
7.1.3.2 时钟脉冲细分技术
将光栅一个栅距W内的信号转化为计时的方法实现细分。
7.1.4 只读存储器细分
128
0
128
255 X
7.2 平衡补偿式细分
■
用途：广泛应用于标尺节距大的感应同步器、容栅、 磁栅、光栅等传感器的后续仪器中。 特点：细分数高、分辨率高、精度高，但速度低(带负 反馈的闭环系统)。
前馈回路 xi 比较器 xF F 细分机构，分频数=细分数 x i- x F ∫ Ks + N xo
—— 相位调制信号，作为相位跟踪细分的输入信号。
7.2.1.1 相位跟踪细分原理
Umsin(t+j) 放大整形 鉴相电路
j- d
移 相 脉 冲
移相脉冲门
d
相对相位 基准分频器
显示电路
输入信号：相位差90的两路正余弦(正交)模拟信号。
工作原理：将正余弦信号施加在电阻链两端，由于两信 号的叠加作用，在电阻链的接点上得到幅值和相位各不相 同的电信号。这些信号经整形、脉冲形成后，就能在正余 弦信号的一个周期内获得若干计数脉冲，实现细分。
光栅四分频检测电路
光栅四分频检测电路
光栅四分频检测电路是一种用于提高位移分辨率的电路，通常用于实验室中的光栅测量系统。
该电路通过将光栅传感器输出的信号进行四分频细分，从而提高位移分辨率。
光栅传感器通常以一定的线数和栅距输出脉冲信号，代表物体的位移量。
为了提高位移分辨率，需要将每个脉冲信号细分成多个小脉冲。
四分频检测电路就是通过将每个大脉冲信号细分成四个小脉冲，从而实现位移分辨率的四倍提高。
四分频检测电路通常由触发器（Flip-Flop）实现，将光栅传感器输出的信号输入到触发器的时钟输入端，然后将触发器的Q端输出作为细分后的信号。
通过调整触发器的分频系数，可以实现不同的细分效果。
需要注意的是，光栅四分频检测电路仅适用于光栅传感器输出的方波信号，不适用于其他类型的信号。
同时，由于细分电路会增加系统的复杂性和功耗，因此在实际应用中需要根据实际情况进行选择和优化。
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测控电路论文
学 院 物理电子工程学院
专 业 电子信息工程
年 级 14级电子信息工程班 姓 名 张幸博
课程名称 测控电路论文
论文题目 四细分辩向电路 指导教师 马建忠
成 绩
2016年12月17日
学号：
目录
1.信号细分与辩向的原因 (1)
2.直传式细分 (1)
3.逻辑门组成 (1)
3.1与门 (1)
3.2或门 (2)
3.3非门 (2)
4.单稳态触发器 (2)
4.1单稳态触发器的特点 (3)
4.2单稳态触发的过程 (3)
5.四细分辨向电路 (4)
5.1细分过程 (4)
5.2辩向过程 (5)
6.仿真部分 (5)
7心得体会 (7)
8参考文献 (7)
四细分辩向电路
摘要：四细分辩向电路主要包括完成细分和辩向的功能，细分是基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分，辨向是根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据来完成的。
主要包括单稳态触发器部分和逻辑门组合部分。
1.信号细分与辩向的原因
信号细分电路又称插补器，是采用电路手段对周期性的增量码信号进行插值提高仪器分辨力的一种方法。
测量电路通常采用对信号周期进行计数的方法实现对位移的测量，若单纯对信号的周期进行计数, 则仪器的分辨力就是一个信号周期所对应的位移量。
为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。
细分的基本原理是：根据周期性测量信号的波形、幅值或者相位的变化规律，在一个周期内进行插补，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。
高分辨力是高精度的必要条件。
由于位移传感器一般允许在正、反两个方向移动，在进行计数和细分电路的设计时往往要综合考虑辨向的问题。
2.直传式细分
直传式细分直接利用位移信号进行细分，称其为直传式是相对于跟踪式（平衡补偿式）而言的，也因为它可以由若干细分环节串联而成，其原理如图1所示。
图1 直传式细分原理图
系统总的灵敏度K s为各个环节灵敏度K j(j=1~m)之积，如果个别环节灵敏度K j发生变化，它势必引起系统总的灵敏度的变化。
3.逻辑门组成
3.1与门
与门又称“与电路”。
是执行“与”运算的基本逻辑门电路。
有多个输入端，一个输出端。
当所有输出同时为高电平时，输出才为高电平，否则输出为低电平。
图2为二输入与门符号及功能表：
图2二输入与门符号及功能表
3.2或门
或门又称或电路。
如果几个条件中，只要有一个条件满足要求，某事件就会发生，这种关系叫做“或”逻辑关系。
具有“或”逻辑关系的电路叫做或门。
或门有多个输入端，一个输出端，多输入或门可由多个二输入或门构成。
只要有一个输入端为高电平时，输出就为高电平；只有所有输入全为低电平时，输出才为低电平。
图3为二输入或门的符号及功能表：
图3二输入或门的符号及功能表
3.3非门
非门又称反相器，是逻辑电路的基本单元，非门有一个输入和一个输出端。
逻辑符号中输出端的圆圈代表反向的意思。
当其输入端为高电平时输出端为低电平，输入端为低电平时，输出高电平。
也就是说，输入端和输出端的电平状态总是反向的。
图4为非门的符号及功能表：
图4 非门的符号及功能表
通过基本逻辑门进行组合逻辑电路的设计，达到四细分辩向电路的要求。
4.单稳态触发器
单稳态触发器分为积分型单稳态触发器和微分型单稳态触发器，主要由电容
在电路中的位置决定电容充放电的时间和顺序来分析，此次我们使用积分型单稳态触发器。
4.1单稳态触发器的特点
电路有一个稳态、一个暂稳态。
在外来触发信号作用下，电路由稳态翻转到暂稳态。
暂稳态不能长久保持，由于电路中RC延时环节的作用，经过一段时间后，电路会自动返回到稳态。
暂稳态的持续时间取决于RC电路的参数值。
图5为积分型单稳态触发器。
图5单稳态触发器
4.2单稳态触发的过程
没有触发信号，电路处于稳态
A为低电平，经过DG1非门，A为高电平,电容离地端为高电平，通过与门得到A'为低电平
外加触发信号，电路由稳态翻转到暂稳态
A由低电平跳变为高电平时，A为高电平，A为低电平，电容由于电压不会
导通，输出A'为高电平。
跳变，所以离地端仍为高电平，此时与门D
G3
电容放电，电路由暂稳态自动返回至稳态，
电容开始放电，直到电压小于与门的导通电压，A'输出为低电平。
电容越大，电容充电和放电的时间越大，产生的单次脉冲宽度越大。
后面给出仿真图。
图6单稳态触发器跳变波形图
5.四细分辨向电路
输入信号：具有一定相位差(通常为90°)的两路方波信号。
细分的原理：基于两路方波在一个周期内具有两个上升沿和两个下降沿，通过对边沿的处理实现四细分
辨向：根据两路方波相位的相对导前和滞后的关系作为判别依据
原理：利用单稳提取两路方波信号的边沿实现四细分，图7为单稳四细分总电路图。
图7 单稳四细分变相电路
5.1细分过程
A、B是两路相位差90︒的方波信号,传感器正向移动时和传感器反向运动时波形图分别见图8左部分和图8右部分。
传感器正向移动时，设A导前B(波形见图8左部分)，当A发生正跳变时，由非门D
G1
、电阻R1、电容C1和与门D G3组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A'，此时B̅为高电平，与或非门D G5有计数脉冲输出，由于B为低电平，与或非门D G10无计数脉冲输出。
当B发生正跳变时，由非门D G6、电阻R3、电容C3和与门D G8组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B'，此时A为高电平，D G５有计数脉冲输出，D G10仍无计数脉冲输出。
当A发生负跳变时，由非门D G2、电阻R2、电容C2和与门D G4组成的单稳触发器输出窄脉冲信号A′̅，此时B为高电平，与或非门D G5有计数脉冲
输出，D
G10
无计数脉冲输出。
当B发生负跳变时，由非门D G7、电阻R4、电容C4和
与门D
G9
组成的单稳触发器输出窄脉冲信号B′̅，此时A为高电平，D G5有计数脉冲输
出，D
G10无计数脉冲输出。
这样，在正向运动时，D
G5
在一个信号周期内依次输出
A'、B'、A′̅、B′̅四个计数脉冲，实现了四细分。
在传感器反向运动时（波形见图8右部分），由于A、B的相位关系发生变化，B导前A，这时D
在一个信号周期内输出A′̅、B'、A'、B′̅四个计数脉冲，这四个G10
计数脉冲分别出现在B̅、A、B、A为高电平的半周期内，同样实现了四细分。
D G5、D
随运动方向的改变交替输出脉冲，输出信号Ｕo1、U o2可直接送入标准系列可逆G10
计数集成电路（例如74LS193），实现辨向计数。
图8单稳四细分辩向电路波形图
5.2辩向过程
辨向：如果A'出现在B为负的半周期，则A滞后于B,正向运动；如果A'出
现在B为正的半周期，则A超前于B,反向运动。
正向：A'出现在B为负的半周期，B'出现在A为正的半周期，A'出现在B为
正的半周期，B '出现在A为负的半周期。
反向：B '出现在A为负的半周期，A'出现在B为正的半周期，B '出现在A
为正的半周期，A'出现在B为负的半周期，如下图示。
图9 辩向波形图
6.仿真部分
由于脉冲发生器的0时刻输出为所设定0—5V的高电平，所以正向时A、B
的延迟时间分别为为50ms、75ms，A、B周期皆为100ms，所以此时A超前B，相
位差为90°：反向时A、B的延迟时间分别为50ms，25ms，此时B超前A，相位
差依旧为90°。
图10 单稳态触发器波形跳变电路正向时仿真波形
图11 正向时仿真波形反向时仿真波形
图12 反向仿真波形
总体仿真波形图如下
图13 四细分辩向电路仿真图
7心得体会
通过本次论文的制作过程，首先要了解单稳态触发器的工作原理，了解以后在电脑上进行仿真，单稳态触发器仿真过程中使用与门74LS09无法产生单次脉冲，后改用74LS08正常，经查询后得知74LS09为集电极开路门即OC门。
为了更深一步的了解OC门和OD门以及74LS、74S、74HC系列的区别，必须了解基本逻辑门，再往深入了解，又必须掌握模拟电子技术的知识，所以要从基本模拟电子技术开始逐层累积才能构建出牢固的电子知识体系。
以下为一些此次使用器件工作电压的参数区间。
TTL输出高电平>2.4V，输出低电平<0.4V。
在室温下，一般输出高电平是3.5V，输出低电平是0.2V。
最小输入高电平和低电平：输入高电平>=2.0V，输入低电平<=0.8V。
TTL电路是电流控制器件，TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。
8参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础[M].第5版.北京：清华大学出版社，2006.5：278—311.
[2]李醒飞.测控电路[M].第5版.北京：机械工业出版社，2016.1：197—199.
[3]康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1998.。